不同参数对复合毛细芯热柱传热性能的影响

陶素连 何秋梅

(广东水利电力职业技术学院机械工程系 广州 510925)

不同参数对复合毛细芯热柱传热性能的影响

陶素连 何秋梅

(广东水利电力职业技术学院机械工程系 广州 510925)

针对高性能电子芯片散热存在的问题，研制了一种复合毛细芯热柱，设计了复合毛细芯热柱的结构及其毛细芯结构，研究了不同参数对复合毛细芯热柱的传热性能的影响。结果表明复合毛细芯热柱在3 s内达到了恒定温度，启动性能非常好;热柱的最大传热量为140 W，传热性能随热柱倾斜角度的增加而降低;随着铜纤维直径的增加而降低。铜纤维烧结层厚度过大过小对热柱的传热性能都不利，只有适中的铜纤维烧结层厚度，热柱的传热性能最好。

复合毛细芯 热柱 传热性能

1 引言

随着微电子技术的迅速发展，电子元器件的高频、高速以及高集成度使得单位容积电子元器件的的发热量快速增大，高的热流密度及温度已成为制约电子器件性能的瓶颈［1-2］。目前解决狭小空间高热流密度芯片的热控制有效的方式是采用热管散热，而热管有它本身的局限性:(1)许多场合安装散热装置的空间有限，需要将微热管弯曲或压扁［3］;(2)有些场合需多根热管才能解决散热问题，而在多根热管上安装散热片加工难度大，成本高;(3)在热管和发热电子元件之间需要增加散热基板，增加了热阻［4］。热柱作为热管的一个变身，它还具有粗短，导热速率快、传热能力大、适应性好等优点，正满足高性能电子元件的散热及空间需求［5］。研究了一种新型复合毛细芯热柱的毛细结构及加工方法［6］，研究热柱最为关心的是其传热性能，因此有必要对其进行性能测试。

2 复合毛细芯热柱的结构及实验装置

2.1 复合毛细芯热柱的结构

图1为复合毛细芯热柱的结构图，热柱由蒸发端、冷凝端、密封盖、工质及抽真空管组成。复合毛细芯是在微沟槽上烧结一层铜纤维。蒸发端微沟槽结构如图2a所示，采用犁切-挤压法加工出相互正交的微沟槽，挤压-犁切后的微沟槽表面形貌粗糙，形成大量微通孔，汽、液两相流可纵横连续交错流动，促进强化沸腾。冷凝端微沟槽结构如图2b所示，微通道翅化冷凝结构表面采用相互交错的沟槽翅结构，由微沟槽、凸缘和间歇微翅组成，气、液两相可在相互交错的微通道内流动，微沟槽周边的翅结构有利于成核、对流。蒸发端和冷凝端微沟槽上烧结的一层铜纤维如图2c所示。

图1 复合毛细芯热柱的结构图Fig.1 Structure diagram of composite wick heat column

图2 热柱毛细芯的结构图Fig.2 Wick structure of heat column

2.2 传热性能测试系统

图3为热柱性能测试系统原理图。热柱性能测试系统主要包括3大模块:加热模块、温度采集模块以及冷却模块。

(1)加热模块

在实验中将发热的紫铜棒作为模拟热源，紫铜棒和热柱接触的面积与芯片的大小相当。研究采用热阻为160 Ω的加热棒为铜棒提供热量，而加热棒连接到调压器上，通过调节变压器的电压来调节加热紫铜棒输出的热量。为了避免加热过程中热量的散失，在加热棒及热柱蒸发端周围用石棉包裹严密，保证变压器的输出功率和加热棒提供给热柱的功率是相当的。

(2)冷却模块

为了使热柱冷凝端热量及时散失出去，采用散热铝翅片套在热柱冷凝端周围，并且在热柱上表面安装风扇实行强制对流加快冷凝端面热量的散失。从而保证热源散发出的热量及时导出，降低热源的温度。

(3)测温模块

测试温度时，将热电偶布置到热柱的蒸发端和冷凝端，5个K型热电偶连接到温度采集模块ADAM-4018，再通过温度转换模块ADAM-4520输入计算机，采集的信号通过测试程序中实时显示并记录，采集频率为1次/s。

图3 热柱传热性能测试系统原理图Fig.3 Test system schematic diagram of heat transfer for heat column

3 实验结果及分析

3.1 热柱的启动性能

图4为热柱的热响应曲线图，从图中可以看到热柱在不到3 s的时间就可以可以达到恒定的温度，这说明电子芯片的热量迅速将热量传递给热柱，热柱的温度很快就和电子芯片的温度相当了，然后热柱通过冷却系统散热。这说明热柱在很短的时间内启动工作，启动性能非常好。

图4 热柱热响应曲线Fig.4 Thermal response curve of heat column

3.2 加热功率对热柱传热性能的影响

图5为环境温度为23℃时热柱竖直放置时在不同的加热功率下其表面温度情况。当加热功率分别为20、40、60、80、100、120 和140 W 时，热柱表面的最高温度分别为26.2℃、30.7℃、34.2℃、39.2℃、43.7℃、48.8℃。从图中可以看到，热柱的表面温度随着加热功率的增加而增加，但是在单一加热功率下，热柱表面的温度基本恒定，这说明热柱的均温性特别好，可以将热源的热量及时传导出去。从图中还可以看到当加热功率为160 W时热柱的蒸发端及冷凝端温差很大，达到了10℃，说明这时候热柱不能正常工作。

图5 热柱垂直放置时的等温性能Fig.5 Equal temperature? performacne of heat column placed vertically

3.3 倾斜角度对热柱传热性能的影响

定义当热柱的轴线和竖直方向的夹角为热柱的倾斜角度。图6为热柱的倾斜角度对热柱传热性能的影响。当加热功率为20 W时，倾斜角为0℃的时候热柱最高温度为26.2℃;倾斜角度为10°时，热柱的最高温度为27.2℃;倾斜角度为20°时，热柱的最高温度为27.8℃;倾斜角度为30°时，热柱的最高温度为28.5℃;倾斜角度为60°时，热柱的最高温度为29.8℃;倾斜角度为90°时，热柱的最高温度为30℃;热柱表面最高温度随着倾斜角度的增加而增加。在其他加热功率下，热柱在倾斜角度为0℃时，其温度最低，当倾斜角度为90°时，其温度最高，热柱表面的最高温度随着倾斜角度的增加而增加。这主要是由于在0°时，热柱垂直放置，热柱的重力作用使得热柱冷凝液体能够更容易回流到蒸发端中，而随着倾斜角度的增加，重力在垂直方向的分力逐渐减少。

图6 不同倾斜角度下热柱传热性能Fig.6 Heat transfer performance of heat column at different inclination angle

3.4 外界环境对热柱传热性能的影响

图7为热柱性能测试系统中风扇接5 V电源时其表面温度随着加热功率的变化情况。从图中可以看到热柱的加热功率为80 W时其表面温度温差很大，已经失效了。而当热柱风扇接12 V电源时，热柱在加热功率为160 W时热柱才失效。这说明当风扇所接电源电压越大，风扇带出去的热量越多，当然风扇电源要在其允许的电压范围之内，否则系统不能正常工作。图8为热柱接通电压风扇时热柱表面的最高温度随输入功率的变化情况。

图7 风扇接5 V电源时热柱的传热性能Fig.7 Heat transfer performance of heat column when the fan joined 5 V electric source

图8 风扇接不同功率电源时热柱的传热性能Fig.8 Heat transfer performance of heat column when fan joined different electric source

3.5 纤维直径对热柱传热性能的影响

图9为毛细芯中所用的铜纤维直径分别为50、100和150 μm的情况下，热柱的蒸发端的温度随输入功率的变化情况。从图中可以看到热柱毛细芯中铜纤维的直径越大，蒸发端的温度越高，反之则越低。热柱蒸发端的温度越高，说明和热柱接触的电子元件的温度越高，对其性能越不利，这说明在同等情况下，毛细芯中的铜纤维直径越细越好。图10为热柱毛细芯采用不同直径的铜纤维时其热阻随着输入功率的变化情况，从图中可以看到热阻随着毛细芯所用铜纤维的直径的增加而增大，但是热阻都很小。

3.6 纤维层厚度对热柱传热性能的影响

图11为热阻毛细芯中纤维烧结层的厚度对热柱的传热性能的影响。从图中可以看到在同等输入功率的情况下，当烧结纤维层的厚度分别为0.5 mm、1.5 mm时，热柱的蒸发端的温度均高于当烧结纤维层的厚度为1 mm时的温度，由此可见当热柱毛细芯中铜纤维烧结层的厚度为1 mm时，热柱的传热性能最好。从图12中可以看到，热柱的热阻随着纤维烧结层的厚度增加而增大。

图9 不同纤维直径热柱的传热性能Fig.9 Heat transfer performance of different diameter column

图10 热阻随着纤维直径的变化情况Fig.10 Heat resestiance of different fibre diameter fibre for heat for heat column

图11 不同纤维厚度对热柱传热性能的影响Fig.11 Influence of different fibre thickness of heat column

图12 不同纤维烧结层厚度的热柱在不同输入功率下热阻曲线Fig.12 Heat resistance curve uder different input power of for heat transfer different thick fibre sintering layer

4 结论

(1)复合毛细芯热柱在3 s内达到恒定温度，启动性能非常好;

(2)复合毛细芯热柱的最大传热量为140 W;

(3)复合毛细芯热柱的最大传热量随着斜角度的增加而降低;

(4)铜纤维烧结层中的纤维直径越细，复合毛细芯热柱传热性能最好;

(5)铜纤维烧结层厚度适中的时候，复合毛细芯热柱传热性能最好。烧结层厚度越大，热柱的热阻越大。

1 Yazawa K，Bar-Cohen A.Energy efficient cooling of notebook computers.2002 Inter Society Conference on Thermal Phenomena，San Diego，CA Institute of Electrical and Electronics Engineering Inc，2002，785-791.

2 JM Y，Cho H，Kim M，et al.Micro cooling application on high density memory module.19th IEEE EMI-THERM Symposium［C］.San Jose，CA Institute of Electrical and Electronics Engineering，2003，179-184.

3 陶汉中，张 红，庄 骏.小型微槽道热管90°弯曲前后传热性能比较［J］.宇航学报，2008，29(2):722-72.

4 嘉善华昇电子热传科技有限公司.柱形热管及制造方法［P］.中国，申请号:200510060428.6.

5 Tao Sulian，Tang Yong，Lu Longsheng，et al.Fabricationand experimental study of heat column［C］.2010 InternationalConference on Mechanic Automation and Control Engineering，Wuhan:IEEE，2010:3036-3040.

6 陶素连，汤 勇.热柱复合毛细芯的成形工艺及其优化［J］.华南理工大学学报，自然科学版，2011，39(6):29-35.

Influence of different parameter on heat transfer performance for composite wick heat column

Tao Sulian He Qiumei

(Department of Mechanical Engineering，Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering，Guangzhou 510925，China)

Composite wick heat column applied in dissipating high flux of microelectronic chip was developed and its structure were designed.The influence of different parameter on its heat transfer performance was investigated in test.The result shows that the composite wick heat column reached invariable temperature in 3s，which indicated it had good start-up performance.The composite wick heat column’s maximum heat transfer quantity is 140 W，the heat transfer performance decreases as the inclined angle increasing and increases as copper fiber diameter decreases.It is disadvantage for the heat transfer performance when the copper fiber sintering layer’s thickness is too large or little.Only when copper fiber diameter is moderate，it’s heat transfer performance is the best.

composite wick;heat column;heat transfer performance

TB61，TB69

A

1000-6516(2013)01-0060-05

2012-10-03;

2013-02-20

国家自然科学基金项目(50930005)，广东省自然科学基金项目(U0834002)。

陶素连，女，33岁，博士、讲师。